Desenvolvimento de membranas eletrofiadas de Poliuretano termoplástico com diferentes proporções de cristal líquido colunar hexagonal

Abstract

Eletrofiação é uma técnica relativamente simples e versátil que permite a fabricação de fibras micro ou nano métricas, as quais são, normalmente, depositadas aleatoriamente em um coletor formando membranas mecanicamente autossustentáveis. As fibras e membranas obtidas se caracterizam por possuírem elevada área de superfície, considerável porosidade e alta flexibilidade, fazendo com que possam ser aplicadas em diversas áreas da ciência. Para a obtenção de membranas com propriedades ópticas, mecânicas e morfológicas diferenciadas, moléculas pequenas e nano cargas podem ser incorporadas à solução polimérica. Neste contexto, a incorporação de moléculas de cristal líquido (CL) na matriz polimérica é bastante explorada. Além de apresentarem algumas propriedades bastante interessantes, como birrefringência óptica e capacidade de auto-organização, algumas moléculas de CL também podem apresentar fotoluminescência na região visível do espectro eletromagnético. Essas características, somadas à rápida resposta óptica a estímulos externos, e a possíveis alterações das propriedades ópticas e elétricas devido ao confinamento molecular, são as principais razões que tornam a eletrofiação desta classe de material bastante atrativa. Sendo assim, este trabalho possui como principal objetivo a utilização do método de eletrofiação para obtenção de fibras fotoluminescentes constituídas por Poliuretano Termoplástico (TPU) e cristal líquido termotrópico discótico: 3,4,9,10-perileno-tetracarboxílico dianidrido (H1). Soluções de TPU com diferentes concentrações mássicas de H1 foram eletrofiadas com o intuito de estudar a influência das moléculas líquido-cristalinas nas propriedades morfológicas, mesomórficas, fotofísicas, térmicas e mecânicas das fibras e membranas obtidas. As propriedades morfológicas das fibras foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica. As propriedades ópticas das fibras foram estudadas por espectroscopia de fotoluminescência estacionária e UV-visível. Por fim, os estudos térmicos e mecânicos foram realizados pelas análises termodinâmica-mecânica e ensaio de resistência à tração. Os resultados alcançados revelam a obtenção de fibras de TPU/H1 micrométricas apresentando elevada fluorescência na região visível do espectro eletromagnético. As análises morfológicas mostram que as fibras são homogêneas e não apresentam irregularidades do tipo beads. A incorporação das moléculas líquido-cristalinas na matriz polimérica foi comprovada utilizando- se as técnicas de MOLP (microscópio óptico de luz polarizada) e DRX (difração de raios X), sugerindo a obtenção de fibras do tipo core-shell, onde as moléculas de CL constituem o núcleo das fibras e o polímero a camada externa. A partir das caracterizações ópticas é possível afirmar que as fibras obtidas possuem elevado rendimento quântico de fluorescência. Em membranas com concentrações mais elevadas de H1, observam-se um red-shift no espectro de emissão e uma diminuição no rendimento quântico absoluto, indicando que as propriedades ópticas das membranas podem ser moduladas pela concentração mássica de CL nas fibras. Os estudos mecânicos sugerem que a incorporação de até 10,00%m de moléculas de CL no sistema não altera significativamente a flexibilidade das membranas obtidas.

Abstract: Electrospinning is a relatively simple and versatile technique that allows the fabrication of micro/nanometric fibers. The fibers are randomly deposited in a collector, originating mechanically self-sustained mats. Electrospun fibers and mats present high surface area, considerable porosity, and high flexibility, as consequence, they can be applied in several branches of science. In order to obtain electrospun mats with unique optical, mechanical and morphological properties, small molecules and nanofillers can be incorporated to the polymeric solution. In this context, the incorporation of liquid crystal molecules (LC) in the polymeric matrix is widely explored. Besides presenting some very interesting properties, such as optical birefringence and self-organization, some LC molecules can also show photoluminescence in the visible region of the electromagnetic spectrum. These characteristics, added to the fast optical response to external stimuli, and the possible change in the optical, and electrical properties due to molecular confinement, are the main reasons why the electrospinning of this class of material are very attractive. Therefore, the main objective of this research is to use the electrospinning technique to obtain photoluminescent fibers of Thermoplastic Polyurethane (TPU) and thermotropic discotic liquid crystal 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride (H1). Solutions with TPU and different weight concentrations of H1 were electrospun to study the influence of the liquid-crystalline molecules on the morphological, mesomorphic, photophysical, thermal and mechanical properties of the fibers and mats. The morphological properties of the fibers were analyzed by scanning electron microscopy and atomic force microscopy. The optical properties were studied by stationary photoluminescence and UV-vis spectroscopy. Finally, the thermal and mechanical studies were performed by dynamic mechanical analysis and tensile testing. The results showed that micrometric TPU/H1 fibers presenting high fluorescence in the visible region of the electromagnetic spectrum were obtained. The morphological analysis showed that the fibers are homogeneous and do not present bead-like irregularities. The incorporation of liquid-crystalline molecules in the polymeric matrix has been verified using POM (polarized optical microscopy) and X-ray diffraction techniques. The results suggest the fabrication of core-shell fibers, where the LC molecules constitute the core of the fibers and the polymer the outer layer (shell). The optical characterizations suggest that the electrospun mats have high fluorescent quantum yield. Mats with higher concentrations of H1, present a red-shift in the emission spectrum and a decrease in the absolute quantum yield, indicating that the optical properties of the membranes can be modulated by the weight concentration of LC in the fibers. Mechanical studies suggest that the incorporation of up to 10,00%wt. of LC molecules in the system, does not affect the flexibility of electrospun mats.